鐵碳合金教學課件第一章：鐵碳合金基礎知識鐵碳合金是現(xiàn)代工業(yè)的基礎材料，包括各種類型的鋼和鑄鐵。本章將介紹鐵的基本性質(zhì)、化學特性以及鐵碳合金的基礎知識，為后續(xù)學習奠定基礎。01鐵的基本性質(zhì)02化學反應特性鐵的基本性質(zhì)物理性質(zhì)銀白色金屬，具有金屬光澤密度為7.86g/cm3，屬于重金屬熔點1535℃，沸點2750℃良好的導電性、導熱性和延展性鐵是鐵磁性元素，能被磁鐵吸引自然存在形式自然界中鐵主要以化合態(tài)存在常見礦物：赤鐵礦（Fe?O?）黃鐵礦（FeS?）磁鐵礦（Fe?O?）純鐵樣品，展示其銀白色金屬光澤鐵的化合價與常見化合物鐵的主要化合價鐵主要有+2價和+3價兩種狀態(tài)：二價鐵（Fe2?）：淺綠色，較不穩(wěn)定，易被氧化三價鐵（Fe3?）：黃褐色，較穩(wěn)定常見鐵化合物氧化鐵（Fe?O?）：赤褐色，用于顏料和拋光劑氫氧化鐵（Fe(OH)?）：紅褐色膠狀沉淀鐵碳化物（Fe?C）：滲碳體，硬質(zhì)相硫酸亞鐵（FeSO?·7H?O）：淺綠色晶體Fe3?的檢驗方法加入硫氰化鉀（KSCN）溶液：Fe3?+SCN?→[Fe(SCN)]2?生成血紅色絡合物，是Fe3?的特征反應鐵的化學反應特性與非金屬單質(zhì)反應與氯氣反應：2Fe+3Cl?→2FeCl?與氧氣反應：3Fe+2O?→Fe?O?與硫反應：Fe+S→FeS與酸反應與稀酸反應產(chǎn)生氫氣：Fe+2H?→Fe2?+H?↑與濃硫酸：Fe+2H?SO?(濃)→FeSO?+SO?↑+2H?O與濃硝酸鈍化：鐵表面形成致密氧化層置換反應活潑金屬置換出不活潑金屬：Fe+CuSO?→FeSO?+Cu鐵釘浸入硫酸銅溶液，表面沉積銅高爐煉鐵工藝原料準備鐵礦石（Fe?O?）、焦炭（C）和石灰石（CaCO?）通過上料系統(tǒng)進入高爐頂部還原反應碳在高溫下氧化生成CO，CO作為還原劑將鐵從氧化物中還原出來：Fe?O?+3CO→2Fe+3CO?生鐵形成還原出的鐵與碳結(jié)合形成含碳4-5%的生鐵，熔融狀態(tài)流入鐵水罐第二章：鐵碳相圖與顯微組織鐵碳相圖是理解鐵碳合金組織和性能的基礎。本章將詳細介紹鐵碳合金的分類、鐵碳相圖的關鍵點以及各種微觀組織的形成與性質(zhì)，幫助學生建立微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的聯(lián)系。鐵碳合金的組成分類鋼含碳量：0.008%~2.14%主要是鐵和碳的合金具有良好的塑性和韌性可熱處理強化鑄鐵含碳量：2.14%~6.7%含碳量高，硬度大脆性較大，不易鍛造通常含有較多硅等元素工業(yè)純鐵含碳量<0.008%軟而有韌性導電性、導熱性好強度低，易加工鐵碳相圖關鍵點1共析點碳含量：0.76%溫度：727℃相變：γ(奧氏體)→α(鐵素體)+Fe?C(滲碳體)形成珠光體組織2共晶點碳含量：4.3%溫度：1147℃相變：液態(tài)→γ(奧氏體)+Fe?C(滲碳體)形成萊氏體組織3包晶點碳含量：0.51%溫度：1495℃相變：液態(tài)+δ-鐵→γ-鐵對鋼的性能影響較小這些關鍵點代表了鐵碳合金在不同溫度和成分下的平衡狀態(tài)，是理解鐵碳合金組織演變的基礎。根據(jù)相圖可以預測各種鐵碳合金的微觀組織和性能特點。鐵的三種晶體結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定溫度范圍α-鐵（鐵素體）體心立方結(jié)構(gòu)（BCC）室溫~912℃穩(wěn)定具有鐵磁性（<768℃）最大溶碳量僅0.022%軟而有韌性γ-鐵（奧氏體）面心立方結(jié)構(gòu)（FCC）912℃~1394℃穩(wěn)定非磁性最大溶碳量2.14%塑性好，可固溶大量碳δ-鐵體心立方結(jié)構(gòu)（BCC）1394℃~1535℃穩(wěn)定非磁性最大溶碳量0.09%高溫存在，實際應用少Fe?C（滲碳體）結(jié)構(gòu)與性質(zhì)結(jié)構(gòu)特點正交晶系，復雜的晶體結(jié)構(gòu)碳含量高達6.67%（質(zhì)量分數(shù)）碳原子占據(jù)鐵原子之間的間隙位置鐵原子和碳原子排列有序性能特點硬度高（約800HV），遠高于純鐵極為脆硬，幾乎沒有塑性熔點約1250℃是鐵碳合金中重要的強化相在鋼中形成片狀或球狀分布滲碳體（Fe?C）的晶體結(jié)構(gòu)模型，展示了鐵原子和碳原子的空間排布珠光體的顯微結(jié)構(gòu)珠光體的形成當含碳0.76%的奧氏體冷卻至727℃以下時，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：γ(奧氏體)→α(鐵素體)+Fe?C(滲碳體)鐵素體與滲碳體交替生長形成特征性的層片狀結(jié)構(gòu)層間距決定珠光體的性能性能特點硬度約220HB，介于鐵素體與滲碳體之間綜合了鐵素體的韌性和滲碳體的硬度是中碳鋼中最常見的組織鐵碳相圖詳解相區(qū)標識A區(qū)：α+Fe?C（鐵素體+滲碳體）G區(qū)：γ（奧氏體）D區(qū)：δ（δ-鐵）L區(qū)：液相C區(qū)：γ+Fe?C（奧氏體+滲碳體）重要轉(zhuǎn)變線A?（PSK線，727℃）：共析轉(zhuǎn)變A?（GS線）：γ→α+γ轉(zhuǎn)變起始A??（SE線）：γ→γ+Fe?C轉(zhuǎn)變起始Acm（ES線）：γ→γ+Fe?C轉(zhuǎn)變終止相圖應用預測平衡狀態(tài)下的組織構(gòu)成確定熱處理溫度范圍計算相比例和組分含量指導合金設計和工藝優(yōu)化奧氏體與馬氏體轉(zhuǎn)變奧氏體特性面心立方結(jié)構(gòu)（FCC），原子排列緊密可溶解大量碳原子（最高2.14%）高溫穩(wěn)定相，912℃~1394℃非磁性，塑性和韌性優(yōu)良在合金元素（如Ni、Mn）作用下可在室溫穩(wěn)定存在馬氏體轉(zhuǎn)變無擴散剪切型相變，發(fā)生極快碳原子被困在晶格中，造成畸變形成體心四方（BCT）結(jié)構(gòu)硬度極高（可達65HRC），但脆性大是鋼淬火硬化的關鍵組織左：奧氏體多邊形晶粒；右：馬氏體針狀或板條狀結(jié)構(gòu)鐵碳合金的微觀組織演變液態(tài)鐵碳合金高溫下鐵和碳完全溶解，形成均勻液態(tài)奧氏體（γ相）冷卻至固相線以下，形成面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體，碳原子溶于間隙相變轉(zhuǎn)化根據(jù)碳含量不同，進一步冷卻時奧氏體發(fā)生不同轉(zhuǎn)變：欠共析鋼（<0.76%C）：先析出初生鐵素體，剩余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w共析鋼（0.76%C）：直接轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w過共析鋼（>0.76%C）：先析出次生滲碳體，剩余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w最終組織常溫下的平衡組織為鐵素體和滲碳體的混合物，比例隨碳含量變化材料性能與顯微組織的關系碳含量對性能的影響碳含量(%)硬度(HB)延伸率(%)各相組織對性能的貢獻鐵素體（α相）軟而有韌性，提供良好的塑性變形能力和沖擊韌性滲碳體（Fe?C）硬而脆，提高材料的硬度和耐磨性，但降低韌性珠光體兼具一定強度和韌性的復合組織，性能平衡馬氏體高硬度、高強度，但韌性差，需回火改善綜合性能第三章：鐵碳合金的應用與熱處理鐵碳合金通過不同的成分設計和熱處理工藝，可以獲得多種性能組合，滿足各種工業(yè)應用需求。本章將介紹碳素鋼和鑄鐵的分類及應用，以及通過熱處理調(diào)控材料性能的方法。碳素鋼分類及應用低碳鋼(<0.25%C)主要組織：鐵素體+少量珠光體特點：塑性好，韌性高，易加工強度較低，硬度<150HB應用：建筑用鋼筋、汽車車身代表鋼種：Q235、08Al、SPCC中碳鋼(0.25%-0.65%C)主要組織：鐵素體+珠光體特點：強度和韌性平衡硬度150-230HB應用：機械零件、軸類、齒輪代表鋼種：45鋼、40Cr、SCM440高碳鋼(0.6%-1.0%C)主要組織：珠光體+少量滲碳體特點：硬度高，耐磨性好韌性較差，硬度>230HB應用：刀具、彈簧、量具代表鋼種：T8、60Si2Mn、SK5合金鋼與高合金鋼主要合金元素及其作用錳(Mn)提高強度和硬度，改善淬透性，脫氧和固硫應用：高強度結(jié)構(gòu)鋼，耐磨鋼鉻(Cr)提高硬度、強度和耐磨性，提高耐腐蝕性，改善淬透性應用：不銹鋼，軸承鋼，工具鋼鎳(Ni)提高韌性和塑性，改善低溫性能，穩(wěn)定奧氏體應用：不銹鋼，低溫鋼鉬(Mo)提高高溫強度，防止回火脆性，細化晶粒應用：高溫鋼，工具鋼不銹鋼含鉻≥12%，形成鈍化膜耐腐蝕性強主要類型：鐵素體不銹鋼（430）奧氏體不銹鋼（304、316）馬氏體不銹鋼（420）雙相不銹鋼（2205）廣泛用于餐具、醫(yī)療器械、建筑、化工設備鑄鐵的特點與用途灰鑄鐵含碳量：3.0%-3.7%石墨呈片狀分布特點：減震性好，切削性好導熱性好，價格低廉應用：發(fā)動機缸體、底座、管道球墨鑄鐵含碳量：3.2%-3.8%石墨呈球狀分布特點：強度高，韌性好綜合性能接近鋼應用：曲軸、齒輪、閥門白鑄鐵含碳量：2.5%-3.5%碳以滲碳體形式存在特點：硬度極高，耐磨性好脆性大，難加工應用：破碎機錘頭、磨球鑄鐵中石墨的形態(tài)和分布對材料性能有決定性影響。通過控制成分和冷卻速度，可調(diào)控石墨形態(tài)，獲得不同性能的鑄鐵。鋼的熱處理工藝1退火加熱至臨界溫度以上，保溫后緩慢冷卻目的：降低硬度，提高塑性，消除內(nèi)應力組織：鐵素體+珠光體應用：機械加工前的預處理2正火加熱至Ac3以上，保溫后空冷目的：細化晶粒，均勻組織，改善切削性能組織：索氏體或細珠光體應用：大型鑄鍛件，中碳鋼的預處理3淬火加熱至臨界溫度以上，保溫后快速冷卻（水、油、鹽?。┠康模韩@得高硬度和高強度組織：馬氏體應用：刀具、模具、軸承等高硬度零件4回火淬火后再加熱至臨界溫度以下（150℃-650℃），保溫后冷卻目的：降低脆性，調(diào)整強韌性配合，消除內(nèi)應力組織：回火馬氏體或回火屈氏體應用：各種淬火后的調(diào)質(zhì)處理表面硬化技術及應用感應加熱表面淬火設備工作場景感應加熱表面淬火原理：利用高頻電流快速加熱表面特點：硬化層深度可控，變形小應用：齒輪、軸類、導軌硬化層深度：0.8-3mm滲碳原理：低碳鋼在高溫碳勢環(huán)境中吸收碳特點：表面高碳，心部韌性好應用：齒輪、凸輪、軸承硬化層深度：0.5-2.0mm氮化原理：鋼表面吸收氮形成硬質(zhì)氮化物特點：高硬度，高耐磨性，耐蝕性好應用：模具、精密零件硬化層深度：0.2-0.6mm表面硬化技術通過提高零件表面硬度，同時保持心部韌性，顯著提高零件的疲勞強度和耐磨性，延長使用壽命。熱處理設備與顯微組織變化熱處理設備電阻爐：溫度均勻穩(wěn)定，用于退火、正火井式爐：適合長形零件熱處理鹽浴爐：熱傳導快，溫度均勻，適合等溫淬火真空爐：防止氧化，適合高合金鋼和特殊鋼感應加熱設備：加熱速度快，節(jié)能，適合局部加熱顯微組織演變01原始狀態(tài)多為鐵素體+珠光體混合組織02奧氏體化加熱至臨界溫度以上，形成均勻奧氏體03冷卻轉(zhuǎn)變根據(jù)冷卻速度形成不同組織：珠光體、貝氏體或馬氏體04回火演變馬氏體分解為回火馬氏體，析出細小碳化物鐵碳合金的現(xiàn)代工業(yè)應用案例汽車制造中的高強度鋼板現(xiàn)代汽車廣泛采用先進高強度鋼（AHSS），如雙相鋼（DP鋼）、相變誘導塑性鋼（TRIP鋼）等。這些鋼種強度可達600-1500MPa，同時保持良好成形性。應用：車身結(jié)構(gòu)件、安全件，實現(xiàn)輕量化同時提高碰撞安全性。減重15-25%，提高燃油經(jīng)濟性。建筑結(jié)構(gòu)用鋼的安全性提升現(xiàn)代高層建筑和橋梁采用高強度低合金鋼（HSLA），如Q345、Q420等。通過微合金化（添加Nb、V、Ti）提高強度和韌性，特別是改善抗震性能。應用：超高層建筑、大跨度橋梁、抗震結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)安全可靠性。刀具行業(yè)的高碳鋼應用高碳工具鋼如W18Cr4V、9CrWMn等，通過合理熱處理工藝，獲得高硬度（60-65HRC）和良好耐磨性?，F(xiàn)代刀具還采用表面涂層技術，如TiN、TiAlN等，進一步提高耐磨性和使用壽命。應用：切削工具、模具、冷作工具，大幅提高生產(chǎn)效率。鐵碳合金的環(huán)保與回收利用廢鋼回收與循環(huán)利用鋼鐵是回收率最高的工業(yè)材料，可達98%廢鋼回收流程：收集→分選→破碎→冶煉每回收1噸廢鋼可節(jié)約：1.4噸鐵礦石0.7噸煤減少86%水污染減少76%空氣污染中國年廢鋼回收量超過2億噸，但回收率仍有提升空間綠色煉鋼技術氫基直接還原（H-DRI）：用氫氣代替碳作還原劑電弧爐（EAF）：以廢鋼為原料，能耗低，污染少近凈成形技術：減少機加工廢料產(chǎn)生中國"碳達峰、碳中和"背景下鋼鐵行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型工業(yè)廢鋼建筑廢鋼汽車廢鋼家電廢鋼其他課堂實驗設計建議1鐵粉與氧氣反應觀察實驗目的：觀察鐵的氧化反應實驗材料：鐵粉、氧氣發(fā)生裝置、燃燒匙實驗步驟：取少量鐵粉于燃燒匙中用酒精燈加熱至紅熱迅速插入盛有氧氣的集氣瓶中觀察現(xiàn)象：鐵粉在氧氣中劇烈燃燒，發(fā)出明亮的火花化學方程式：3Fe+2O?→Fe?O?2鐵與稀鹽酸反應實驗實驗目的：觀察鐵與酸的反應實驗材料：鐵釘、稀鹽酸、試管實驗步驟：將鐵釘放入試管加入適量稀鹽酸觀察反應現(xiàn)象觀察現(xiàn)象：生成氫氣氣泡，溶液逐漸變?yōu)闇\綠色化學方程式：Fe+2HCl→FeCl?+H?↑3顯微鏡下珠光體觀察實驗目的：了解鋼的微觀組織實驗材料：45鋼試樣、金相顯微鏡、研磨拋光設備、腐蝕液實驗步驟：試樣研磨拋光4%硝酸酒精溶液腐蝕20秒顯微鏡觀察記錄觀察重點：珠光體的層片狀結(jié)構(gòu)，鐵素體與滲碳體的分布學習總結(jié)關鍵知識點回顧鐵碳合金的組成與結(jié)構(gòu)理解鐵的晶體結(jié)構(gòu)（α、γ、δ）及碳在鐵中的存在形式，掌握鐵碳相圖的關鍵點和相區(qū)。微觀組織與性能關系鐵素體、滲碳體、奧氏體、珠光體等基本組織對材料性能的影響，組織與性能密切相關。熱處理原理與工藝熱處理是調(diào)控鐵碳合金性能的關鍵技術，通過控制加熱和冷卻過程改變微觀組織。學習方法建議：結(jié)合實驗觀察、顯微組織分析和工業(yè)應用案例，加深對理論知識的理解和應用能力。能力培養(yǎng)目標掌握鐵碳合金的基本知識和理論理解材料組織結(jié)構(gòu)與性能的關系具備選擇合適材料的能力了解熱處理工藝對性能的影響認識鐵碳合金在現(xiàn)代工業(yè)中的重要地位復習與思考題為什么鐵的不同晶體結(jié)構(gòu)溶碳能力不同？這與晶體結(jié)構(gòu)中的間隙大小有關。γ-鐵為FCC結(jié)構(gòu)，八面體間隙較大，可容納更多碳原子，最高可達2.14%；而α-鐵和δ-鐵為BCC結(jié)構(gòu)，間隙較小，溶碳能力有限。此外，碳原子嵌入晶格會導致晶格畸變，F(xiàn)CC結(jié)構(gòu)的畸變能較小，因此溶碳能力更強。馬氏體的形成條件及其性能特點？馬氏體形成條件：奧氏體快速冷卻（淬火），冷卻速度必須大于臨界冷卻速度，抑制碳原子擴散，形成過飽和固溶體。性能特點：硬度極高（可達65HRC），強度大，但韌性差，脆性大，內(nèi)應力高。具有針狀或板條狀組織，為體心四方（BCT）結(jié)構(gòu)。合金元素如何影響鋼的性能？合金元素通過多種機制影響鋼的性能：固溶強化：合金元素溶入鐵素體，提高強度碳化物形成：形成穩(wěn)定碳